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TWI804114B - 電池保護電路及電池模組 - Google Patents

電池保護電路及電池模組 Download PDF

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TWI804114B
TWI804114B TW110147558A TW110147558A TWI804114B TW I804114 B TWI804114 B TW I804114B TW 110147558 A TW110147558 A TW 110147558A TW 110147558 A TW110147558 A TW 110147558A TW I804114 B TWI804114 B TW I804114B
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曾裕達
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邑達電子股份有限公司
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Abstract

一種電池保護電路，包含第一控制元件、第一過放保護開關以及第二過放保護開關。第一控制元件經組態以耦接至電池組以讀取電池組中每一電池的電壓數值。第一過放保護開關具有經組態以耦接至電池組的負端的第一端，以及第二端。第二過放保護開關具有耦接至第二端的第三端。其中，當電池組中的任一電池的電壓小於過放預設電壓時，第一控制元件控制第二過放保護開關先於第一過放保護開關斷開。其中第二過放保護開關的電壓耐性大於第一過放保護開關的電壓耐性。

Description

電池保護電路及電池模組
本發明關於一種電池保護電路及電池模組；特別是關於一種具有兩種過放保護開關的電池保護電路及電池模組。
為了追求更高的方便性與可攜帶性，越來越多的電子裝置會採用電池的配置。為了達到裝置所需要的電壓與電量，大多會將多個電池單元透過串聯或是並聯的方式整合為電池組。當所需要的電壓或電量過大時，電池組的保護電路的規格也會相應變大（例如，需要較高規格的主動元件或被動元件）。因此將會導致電池保護電路的成本上升。
此外，在一些時候，因應安全需求或安全法規需求，有時候需要有較高規格的保護效果。更高規格的電池保護電路亦需要較高規格的元件或者元件數量變多。亦導致電池保護電路的成本上升。
因此，如何能在所需要的安全規格以及電壓/電量範圍內，達到保護電池組的目的，且能降低成本，將是電池保護電路發展的一大重點。
一種電池保護電路，包含第一控制元件、第一過放保護開關以及第二過放保護開關。第一控制元件經組態以耦接至電池組以讀取電池組中每一電池的電壓數值。第一過放保護開關具有經組態以耦接至電池組的負端的第一端，以及第二端。第二過放保護開關具有耦接至第二端的第三端。其中，當電池組中的任一電池的電壓小於過放預設電壓時，第一控制元件控制第二過放保護開關先於第一過放保護開關斷開。其中第二過放保護開關的電壓耐性大於第一過放保護開關的電壓耐性。
一種電池保護電路，包含第一控制元件、第一過放保護開關、第二控制元件以及第二過放保護開關。第一控制元件經組態以耦接至電池組以讀取電池組中每一電池的電壓數值。第一過放保護開關具有經組態以耦接至電池組的負端的第一端，以及第二端。第二控制元件經組態以耦接至電池組以讀取電池組中每一電池的電壓數值。第二過放保護開關具有耦接至第二端的第三端。其中，當電池組中的任一電池的電壓小於第一過放預設電壓時，第一控制元件控制第一過放保護開關斷開。當電池組中的任一電池的電壓小於第二過放預設電壓時，第二控制元件控制第二過放保護開關斷開。其中，第二過放預設電壓大於第一過放預設電壓。
一種電池模組包含電池組以及前述任一之電池保護電路。
透過先後斷開的過放保護開關，或是不同耐壓規格的過放保護開關斷開。藉此提供電池保護電路完整保護（例如，作為備用或輔助），也不會因為安規需求導致電路成本上升。
對本文中使用諸如「第一」、「第二」等名稱的元件的任何引用通常不限制這些元件的數目或順序。相反，這些名稱在本文中用作區分兩個或更多個元件或元件實例的便利方式。因此，應當理解的是，請求項中的名稱「第一」、「第二」等不一定對應於書面描述中的相同名稱。此外，應當理解的是，對第一和第二元件的引用並不表示只能採用兩個元件或者第一元件必須在第二元件之前。關於本文中所使用之『包含』、『包括』、『具有』、『含有』等等，均為開放性的用語，即意指包含但不限於。
術語「耦接」在本文中用於指代兩個結構之間的直接或間接電耦接。例如，在間接電耦接的一個示例中，一個結構可以經由電阻器、電容器或電感器等被動元件被耦接到另一結構。
在本發明中，詞語「示例性」、「例如」用於表示「用作示例、實例或說明」。本文中描述為「示例性」、「例如」的任何實現或方面不一定被解釋為比本發明的其他方面優選或有利。如本文中關於規定值或特性而使用的術語「大約」、「大致」旨在表示在規定值或特性的一定數值（例如，10%）以內。
如本文中所使用的，術語「電池組」及/或「電池」指的是可再次充電，反覆使用的儲電元件。例如，鋰離子電池、鉛酸電池或鋰鐵電池。然而，並非限定於化學能電池，任何能反覆使用的儲電元件皆可適用於本文「電池」之範疇。並且，本文所指的「電池組」及/或「電池」可以透過數個電池芯進行串聯及/或並聯達到增加總電壓（例如，2V、6V、12V、48V、480V或1000V以下）或是總電量（例如，1000 mAh至1000 Ah或以上）。而術語「電池模組」為上述電池組結合以下說明的本發明各實施例中的電池保護電路。
於本發明的第一實施例中，請參照圖1A-1B，圖1A說明一種電池保護電路100，包含第一控制元件110、第一過放保護開關120以及第二過放保護開關130。第一控制元件110經組態以耦接至電池組BS以讀取電池組BS中每一電池B1-Bn的電壓數值。第一過放保護開關120具有經組態以耦接至電池組BS的負端BS-的第一端121，以及第二端122。第二過放保護開關130具有耦接至第二端122的第三端131。其中，當電池組BS中的任一電池B1-Bn的電壓小於過放預設電壓Vdth時，第一控制元件110控制第二過放保護開關130先於第一過放保護開關120斷開。其中第二過放保護開關130的電壓耐性大於第一過放保護開關120的電壓耐性。
具體來說，第一控制元件110可以例如為使用微處理機、現場可程式邏輯閘（FPGA）等具有運算能力的元件結合主動元件（例如，震盪晶片或類比數位轉換電路、或其他晶片）及/或被動元件（例如，電感器、電容器、電阻器等等）所構成之電路（例如，設置於印刷電路板上）。第一控制元件110也可以是由商用積體電路（例如，用於充放電保護的專用積體電路（ASIC））所構成。須說明的是，上述內容僅是示例，本發明的第一控制元件110並不限於上述形式。
第一控制元件110讀取電池組BS中每一電池B1-Bn的電壓數值，具體來說，可以透過將電池組BS中每一電池B1-Bn的正負極分別耦接至第一控制元件110以讀取電池B1-Bn各別的電壓（例如，透過類比數位轉換電路讀取電壓數值）。雖然圖1並未繪出，當第一控制元件110的輸入端或者是數位轉換電路的輸入端不足以匹配電池B1-Bn數量時，第一控制元件110亦可以透過切換器等方式依序耦接至電池B1-Bn，並分別讀取電池B1-Bn的電壓。此外，第一控制元件110亦可以設置例如溫度感測器或是電流感測器等元件，可以透過各種感測器監控電池組BS中電池B1-Bn的各項參數（例如，溫度、電流等）。並根據上述參數進行導通或者斷開電池組BS的充電及/或放電迴路等目的。
第一過放保護開關120與第二過放保護開關130例如但不限於可以為電晶體（例如，場效電晶體FET或是絕緣閘雙極電晶體IGBT）或是繼電器（例如，機械式繼電器、電磁式繼電器或者固態繼電器）等開關元件。第二過放保護開關130的電壓耐性大於第一過放保護開關120的電壓耐性。舉例來說，第二過放保護開關130可以選擇繼電器而第一過放保護開關120可以選擇場效電晶體。須說明的是，電壓耐性例如可以指開關兩端所需承受的電壓差或是開關本身須隔離的電壓差。舉例來說，較高的電壓耐性表示該元件在斷開迴路時，可承受的兩側電壓差。然而，電壓耐性並不受限於上述舉例，電壓耐性也可能受到開關導通時自身阻抗以及流通電流所影響。
如圖1A所示，第一過放保護開關120的第一端121耦接至電池組BS的負端BS-，而第二過放保護開關130的第三端131耦接至，第一過放保護開關120的第二端122。具體來說，第一過放保護開關120與第二過放保護開關130串接設置（即，當第一過放保護開關120與第二過放保護開關130任一者斷開後，第一過放保護開關120與第二過放保護開關130所耦接的迴路將會形成斷路）。須說明的是，雖然圖1所示為第一過放保護開關120耦接至電池組BS的負端BS-，而第二過放保護開關130耦接至第一過放保護開關120。然而，本領域具通常知識者可知第一過放保護開關120與第二過放保護開關130的耦接關係可以調換或者進行調整。舉例來說，可以將第二過放保護開關130耦接至電池組BS的負端BS-並將第一過放保護開關120串接至第二過放保護開關130；或是，第一過放保護開關120的第二端122與第二過放保護開關130的第三端131透過電阻器、電感器等元件間接耦接。
當電池組BS進行放電時（例如，電池保護電路100的介面端E1、E2耦接負載L），電池組BS中電池B1-Bn的電壓/電量因負載L的損耗而下降。當電池B1-Bn中任一電池的電壓低於過放預設電壓Vdth時，電壓耐性較高的第二過放保護開關130先於第一過放保護開關120斷開。舉例來說，第一控制元件110例如可以設置斷開時間差，將第二過放保護開關130先斷開後經歷延遲再將第一過放保護開關120斷開。當第二過放保護開關130斷開時，第二過放保護開關130耦接至電池保護電路100的介面端E2的第四端132與直接/間接耦接至電池組BS的負端BS-的第三端131之間會承受電池組BS所輸出的電壓VBS（如圖1B所示）。藉由先斷開電壓耐性較高的第二過放保護開關130可以提供更好的過放電保護，並且假如法規規定需要兩組以上過放保護開關進行保護的情況時，也不會因為元件增加而導致電路所需成本增加過多。
於本發明第二實施例中，請參照圖2A-2B，電池保護電路200還包括第一過充保護開關210，第一過充保護開關210具有經組態以直接或間接耦接至電池組BS的負端BS-的第五端211。當電池組BS中的任一電池B1-Bn的電壓大於第一過充預設電壓Vcth時，第一控制元件110控制第一過充保護開關210斷開。具體來說，如圖2A所示，第一過充保護開關210間接耦接至電池組BS的負端BS-（間隔第一過放保護開關120），且與第一過放保護開關120以及第二過放保護開關130串接。當介面端E1、E2耦接至外部電源ES進行充電時，第一控制元件110讀取電池組BS中電池B1-Bn的電壓數值，當電池組BS中的任一電池B1-Bn的電壓大於第一過充預設電壓Vcth時，第一控制元件110控制第一過充保護開關210斷開以使充電路徑斷路。避免電池組BS中的電池B1-Bn因為充電過程中過度充電而導致損壞。於另一實施例中，如圖2B所示，第一過充保護開關210直接耦接至電池組BS的負端BS-，且電池保護電路200具有介面端E3。當進行充電時，外部電源ES耦接介面端E1、E3（即，電池組BS、電池保護電路200與外部電源ES透過介面端E1、E3形成充電迴路）；而當放電時，外部負載L可以耦接介面端E1、E2（即，電池組BS、電池保護電路200與外部負載L透過介面端E1、E2形成放電迴路）。然而，上述僅是舉例並非用以限制本發明之第一過充保護開關210的設置方式。
於本發明的第三實施例中，請參照圖3，圖3說明一種電池保護電路300，包含第一控制元件310、第一過放保護開關320、第二控制元件330以及第二過放保護開關340。第一控制元件310經組態以耦接至電池組BS以讀取電池組BS中每一電池B1-Bn的電壓數值。第一過放保護開關320具有經組態以耦接至電池組BS的負端BS-的第一端321，以及第二端322。第二控制元件330經組態以耦接至電池組BS以讀取電池組BS中每一電池B1-Bn的電壓數值。第二過放保護開關340具有耦接至第二端322的第三端341。其中，當電池組BS中的任一電池B1-Bn的電壓小於第一過放預設電壓Vdth1時，第一控制元件310控制第一過放保護開關320斷開。當電池組BS中的任一電池B1-Bn的電壓小於第二過放預設電壓Vdth1時，第二控制元件330控制第二過放保護開關340斷開。其中，第二過放預設電壓Vdth2大於第一過放預設電壓Vdth1。
具體來說，第一控制元件310與第二控制元件330可以例如為使用微處理機、現場可程式邏輯閘（FPGA）等具有運算能力的元件結合主動元件（例如，震盪晶片或類比數位轉換電路、或其他晶片）及/或被動元件（例如，電感器、電容器、電阻器等等）所構成之電路（例如，設置於印刷電路板上）。第一控制元件310與第二控制元件330也可以是由商用積體電路（例如，用於充放電保護的專用積體電路（ASIC））所構成。須說明的是，第一控制元件310與第二控制元件330可以是採用相同或是不同架構進行設置。
相較於第一控制元件310，第二控制元件330可以設定較嚴格的保護電壓範圍並提供第一道保護。具體來說，當電池組BS進行放電時，第一控制元件310與第二控制元件330分別對於電池組BS中的電池B1-Bn量測並監控電壓。設置兩組以上獨立的控制元件不僅可以提供當元件失效時第二層保障，已符合高規格的安全需求（例如，法規或軍/醫用電池）。並且因為第二過放預設電壓Vdth2大於第一過放預設電壓Vdth1，所以第二過放保護開關340可以先於第一過放保護開關320關閉放電迴路。於此實施例中，較佳為第二過放保護開關340的電壓耐性大於第一過放保護開關320的電壓耐性。
於本發明的第四實施例中，請參照圖4A-4B，圖4A說明電池保護電路400還包括第一過充保護開關410，第一過充保護開關410具有經組態以直接或間接耦接至電池組BS的負端BS-的第五端411。當電池組BS中的電池B1-Bn的電壓大於第一過充預設電壓Vcth1時，第一控制元件310控制第一過充保護開關410斷開。須說明的是，如圖4B所示，第二控制元件330亦可以控制直接或間接耦接至電池組BS的負端BS-的第二過充保護開關420。當電池組BS中的電池B1-Bn的電壓大於第二過充預設電壓Vcth2時，第二控制元件330控制第二過充保護開關420斷開。於此實施例中，第二過充預設電壓Vcth2可以小於或等於第一過充預設電壓Vcth1。在第二過充預設電壓Vcth2小於第一過充預設電壓Vcth1的設定中，當電池組BS的電池B1-Bn將要過充電時，第二過充保護開關420可以做為第一道保護，以承受較大的電壓變化。而在第二過充預設電壓Vcth2等於第一過充預設電壓Vcth1的設定中，第一控制元件310與第二控制元件330作為彼此的安全確保，以確保過充保護至少可以由，第一控制元件310與第二控制元件330任一者進行作動。
須說明的是，本發明的第一過充保護開關410與第二過充保護開關420的設置方式並不限於圖4A-4B，電池保護電路400亦可以分別設置充電介面端E1、E3以及放電介面端E1、E2。第一過放保護開關320與第二過放保護開關340設置於放電路徑上；而第一過充保護開關410與第二過充保護開關420設置於充電路徑上。
於本發明的第五實施例中，本發明的電池保護電路與電池組整合後，作為電池模組亦可以透過串聯/並聯等方式進行運用。舉例來說，如圖5所示，每一個電池模組M1, M2, Mn都具有介面端E1、E2（E1可以為正端，且E2為負端），並依序串接各個電池模組（電池模組M1的介面端E2連接電池模組M2的介面端E1）。本領域通常知識者可以依據習知電池模組之連接方式進行串聯及/或並聯之應用，應屬於本發明之範疇。
提供對本發明的先前描述以使得本領域具通常知識者能夠製作或實施本發明。對於本領域具通常知識者來說，對本發明的各種修改將是很清楚的，並且在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，本文中定義的一般原理可以應用於其他變化。因此，本發明不旨在限於本文中描述的示例，而是符合與本文中發明的原理和新穎特徵一致的最寬範圍。
100:電池保護電路 110:第一控制元件 120:第一過放保護開關 121:第一端 122:第二端 130:第二過放保護開關 131:第三端 132:第四端 200:電池保護電路 210:第一過充保護開關 300:電池保護電路 310:第一控制元件 320:第一過放保護開關 321:第一端 322:第二端 330:第二控制元件 340:第二過放保護開關 341:第三端 400:電池保護電路 410:第一過充保護開關 420:第二過充保護開關 BS:電池組 B1-Bn:電池 L:外部負載 ES:外部電源 E1,E2,E3:介面端 M1,M2,Mn:電池模組
圖1A為本發明第一實施例中，電池保護電路的示意圖。
圖1B為為本發明第一實施例中，電路斷開後電壓分布式意圖。
圖2A-2B為本發明第二實施例中，電池保護電路的示意圖。
圖3為本發明第三實施例中，電池保護電路的示意圖。
圖4A-4C為本發明第四實施例中，電池保護電路的示意圖。
圖5為本發明第五實施例中，電池模組串接的示意圖。
呈現附圖以幫助描述本發明的各個方面，為簡化附圖及突顯附圖所要呈現之內容，附圖中習知的結構或元件將可能以簡單示意的方式繪出或是以省略的方式呈現。例如，元件的數量可以為單數亦可為複數。提供這些附圖僅僅是為了解說這些方面而非對其進行限制。
100:電池保護電路
110:第一控制元件
120:第一過放保護開關
121:第一端
122:第二端
130:第二過放保護開關
131:第三端
132:第四端
BS:電池組
B1-Bn:電池
L:外部負載
E1,E2:介面端

Claims (10)

  1. 一種電池保護電路，包含：一第一控制元件，經組態以耦接至一電池組以讀取該電池組中每一電池的電壓數值；一第一過放保護開關，具有經組態以耦接至該電池組的負端的一第一端，以及一第二端；以及一第二過放保護開關，具有耦接至該第二端的一第三端；其中，當該電池組中的任一電池的電壓小於一過放預設電壓時，該第一控制元件控制該第二過放保護開關先於該第一過放保護開關斷開；其中該第二過放保護開關的電壓耐性大於該第一過放保護開關的電壓耐性。
  2. 如請求項1所述之電池保護電路，還包括一第一過充保護開關，該第一過充保護開關具有經組態以直接或間接耦接至該電池組的負端的一第五端；當該電池組中的任一電池的電壓大於一第一過充預設電壓時，該第一控制元件控制該第一過充保護開關斷開。
  3. 如請求項2所述之電池保護電路，其中該第一過充保護開關、該第一過放保護開關與該第二過放保護開關串接。
  4. 如請求項1所述之電池保護電路，其中該第二過放保護開關為繼電器所構成。
  5. 一種電池保護電路，包含：一第一控制元件，經組態以耦接至一電池組以讀取該電池組中每一電池的電壓數值；一第一過放保護開關，具有經組態以耦接至該電池組的負端的一第一端，以及一第二端；一第二控制元件，經組態以耦接至該電池組以讀取該電池組中每一電池的電壓數值；以及一第二過放保護開關，具有耦接至該第二端的一第三端；其中，當該電池組中的任一電池的電壓小於一第一過放預設電壓時，該第一控制元件控制該第一過放保護開關斷開；當該電池組中的任一電池的電壓小於一第二過放預設電壓時，該第二控制元件控制該第二過放保護開關斷開；其中，該第二過放預設電壓大於該第一過放預設電壓。
  6. 如請求項5所述之電池保護電路，其中該第二過放保護開關的電壓耐性大於該第一過放保護開關的電壓耐性。
  7. 如請求項5所述之電池保護電路，還包括一第一過充保護開關，該第一過充保護開關具有經組態以直接或間接耦接至該電池組的負端的一第五端；當該電池組中的任一電池的電壓大於一第一過充預設電壓時，該第一控制元件控制該第一過充保護開關斷開。
  8. 如請求項7所述之電池保護電路，其中該第一過充保護開關、該第一過放保護開關與該第二過放保護開關串接。
  9. 如請求項5所述之電池保護電路，其中該第二過放保護開關為繼電器所構成。
  10. 一種電池模組，包含：一電池組；以及請求項1-9任一所述之電池保護電路。
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